如何在fNIRS超扫描研究中计算和验证脑间同步
2021年9月8日
当个体的耦合大脑相互协调时，它们越来越多地由脑间同步（IBS）表示，主要使用与fNIRS同时记录大脑的信号（即超扫描）。在fNIRS超扫描研究中，IBS通常通过小波变换相干（WTC）方法进行评估，因为它在将时间序列扩展到时频空间方面具有优势，其中振荡可以以高度直观的方式看到。观察到的IBS可以通过试验，伴侣和条件的基于排列的随机配对来进一步验证。在这里，提出了一个方案来描述如何通过fNIRS技术获取脑信号，通过WTC方法计算IBS，并在超扫描研究中通过排列验证IBS。此外，我们还讨论了使用上述方法时的关键问题，包括fNIRS信号的选择，数据预处理方法以及可选的计算参数。总之，使用WTC方法和排列是在fNIRS超扫描研究中分析IBS的潜在标准管道，有助于IBS的再现性和可靠性。
该协议提供了在fNIRS超扫描研究中分析脑间同步的潜在标准管道。这种技术的主要优点是它允许计算脑间同步定律，这将改变相干方法并验证脑间同步方式，基于胸部状况和参与的授权的排列。使用 MATLAB 软件和适当的工具箱执行所有数据分析。
在数据预处理过程中，特别是使用基于主成分分析和相关性的信号改进方法，使用NPCA滤波器去除F N I R S全局生理噪声。而头部运动伪像使用HMR运动正确强调了荷马二的CBSI。接下来，对于脑间同步或IBS的计算，采用具有默认参数的横波和小波相干工具箱的小波变换相干函数，计算频率点中每个时间的相干值，得到相干值的两轴矩阵。
对于默认参数，使用Morlet母小波通过连续小波变换将每个时间序列转换为时域和频域。接下来，要选择感兴趣的频带，请选择0.5到1赫兹之间的频带相干值的平均值。根据F N I R S超扫描研究中使用的手指运动任务的频带。
为每对获取一列相干值。然后，选择休息阶段时间窗口的相干值的平均值。对于每个实验条件，使用标记信息，为任务会话的每个二元组获得五个相干值，仅选择参与者点击以重现听觉刺激的持续时间，每次试验约为12秒，每个实验条件总共为180秒。
然后，从与任务相关的相干值中减去剩余的相干值。由于静止状态下的相干性值在此实验中用作基线。接下来，使用配对样品排列T测试与麦芽下划线合成下划线烫发T1函数的滴剂工作。
将每个实验条件的每个通道处减去的相干值与零进行比较。然后，使用 MATLAB 工具箱的 FDR 函数，通过错误发现率方法更正 P 值。接下来，使用配对样品排列 T 检验与麦芽下划线合成下划线烫发下划线 T1 函数的滴剂工作，比较 IBS 存在通道上不同任务条件之间的相干性值。
为了验证 IBS，请使用咆哮 perm 函数 a MATLAB 在每个通道的一个二元组的仪表协调条件下随机化试验标签。按照演示的管道计算IBS和随机试验标签的统计数据，不包括目标频带的灵敏度分析。执行 1000 次置换，然后绘制二元置换中生成的统计 Z 值的分布。
接下来，在计量协调条件下，按照管道随机化同一试验参与者的配对后，按照管道计算IBS和统计数据。最后，在同一试验中随机化一个二元组的相同成员的条件标签后，再次遵循管道。结果显示，在仪表协调条件下，第五通道存在IBS。
而在其他条件下未检测到IBS。在第五通道时，IBS和仪表协调条件显著高于非仪表协调和仪表独立条件下的相干值。排列分析表明，观察到的IBS可能出现在一个二元组的两个个体中，他们试图在匹配的时间内相互同步，但不是在时间伙伴或随机配对的条件下。
确保 IBS 是罕见的相互作用所特有的。因此，计算任务中的IBS，相关频段以及每个突变的信任条件和访谈。在简单范围内计算所有通道的IBS，或跨不同通道和区域计算，将丰富IBS计算合作伙伴。
分析参与自然互动的大型群体的脑间网络将受益于社会互动的资格。
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概述
本研究聚焦于个体在协调任务中的脑间同步（IBS），利用功能性近红外光谱（fNIRS）在超扫描设置中进行。它采用小波变换相干性（WTC）来评估IBS，并通过基于置换的方法验证结果。讨论了关键的方法论考量，以增强这些研究的可重复性和可靠性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 脑成像
- 人际协调
背景
- 脑间同步（IBS）反映了个体间脑活动的协调。
- 超扫描允许同时记录多个参与者的脑信号。
- 小波变换相干性（WTC）被用来分析时频特征。
- 置换方法通过控制偶然发生来帮助验证IBS发现。
研究目的
- 提出使用fNIRS超扫描研究分析IBS的协议。
- 详细说明如何有效地计算和验证IBS。
- 识别关键的方法论考量以改进分析。
使用的方法
- 该研究使用功能性近红外光谱（fNIRS）获取脑信号。
- 它使用MATLAB软件中的小波变换相干函数来评估协调。
- 数据预处理包括主成分分析和使用NPCA滤波器等技术。
- 该过程包括测试实验条件下的相干值，并使用置换测试进行验证。
主要结果
- 在特定条件下观察到IBS，表明参与者之间的同步努力。
- 通过统计测试和置换分析确认了IBS的存在。
- 结果表明IBS检测特定于某些任务和条件，增进了对社会互动动态的理解。
结论
- 本研究为评估IBS提供了方法论框架，有助于未来的人际神经科学研究。
- 它增强了分析个体间神经同步的可重复性和可靠性。
- 研究结果为社会互动的神经基础提供了宝贵的见解。
常见问题
Executive Industry Relevance
Inter-brain synchronization (IBS) analysis via fNIRS hyperscanning provides a mechanistic window into coordinated neural activity, offering biopharma R&D a quantitative biomarker for social cognition and interpersonal engagement models. This approach supports target validation in neuropsychiatric disorders by enabling objective measurement of dyadic neural coupling, which can inform therapeutic efficacy in conditions affecting social interaction. The wavelet transform coherence (WTC) method combined with permutation validation enhances predictive confidence in preclinical models by reducing false-positive synchrony signals.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to social brain networks by quantifying neural synchrony between interacting subjects.
- Operational Value: Provides a reproducible pipeline for assessing target engagement in dyadic behavioral paradigms using fNIRS hyperscanning.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates time-frequency resolved coherence metrics that serve as quantitative readouts for compound effects on interpersonal neural coupling.
- Operational Value: Supports assay standardization through predefined frequency band (0.5–1 Hz) and time-window averaging protocols, improving cross-study comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by distinguishing true interaction-dependent synchrony from artifactual correlations via permutation-based validation.
- Operational Value: Enables longitudinal tracking of neural coordination phenotypes in disease models, supporting translational continuity from discovery to preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
The IBS analysis pipeline fits within early discovery workflows where neural correlates of social behavior are evaluated, particularly in target validation and assay development stages for CNS therapeutics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neural mechanisms underlying social interaction by providing objective, quantifiable measures of inter-brain coupling.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible coherence outputs after preprocessing (NPCA filtering, HMR motion correction) and statistical validation (permutation testing, FDR correction).
- Analytics: Produces Z-value distributions from permutation tests that enable statistical comparison of IBS across conditions and channels.
- Translational Research: Aligns with biomarker development efforts by offering a neural synchrony metric sensitive to task-specific coordination, relevant for social dysfunction models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable analytical framework applicable across multiple dyadic tasks and experimental conditions, reducing redevelopment costs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by confirming that observed IBS is specific to genuine interaction and not random pairing or condition effects.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized preprocessing (PCA-based noise reduction, motion correction) and validated statistical pipelines (permutation T-test, FDR correction).
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing a neural biomarker of social engagement that can be modulated by pharmacological interventions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds targeting social cognition pathways through objective, quantifiable IBS readouts.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fNIRS data acquisition, hyperscanning experimental design, and MATLAB-based signal processing.
- Depends on access to wavelet transform coherence toolboxes and permutation testing functions for proper implementation.
- Necessitates cross-team standardization of preprocessing steps (e.g., NPCA filter, HMR motion correction) and analysis parameters (frequency band, time windows) to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when applying the protocol to different participant populations, tasks, or neural regions of interest.
- Limited by the need for careful channel selection (e.g., channel five in the motor coordination condition) and condition-specific interpretation to avoid false positives.
